近钻头方位伽马随钻测量系统的研制与应用

胡斌 马鸿彦 黄秉亚 姚筠 宋晓健 徐笑鸥

中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司

现有随钻测量仪器测量点与钻头的距离达到15 m左右，导致测量信息滞后，无法及时准确判断新钻开层位的相关信息，井眼轨迹难于精确控制，不利于提高薄油层钻遇率；并且传统随钻伽马测量仪器只能测量地层的自然伽马强度，只能提供一条伽马测量曲线，地质技术人员只能根据伽马曲线判断井眼轨迹是否出层，不能准确判断钻遇储层的顶部和底部［1-2］。近钻头方位伽马测量仪器通常有0.5～1 m的测量零长，能够及时测量到钻遇地层的岩性变化，当发生出层时，还可以根据近钻头方位伽马上、下两条伽马曲线的形态，判断是顶出还是底出，从而帮助地质导向人员及时做出正确的判断，及时调整井眼轨迹，使井眼轨迹保持在储层中［3-4］。

近钻头方位伽马随钻测量仪器的相关技术在若干年前主要被斯伦贝谢、贝克休斯等国外油气技术服务公司垄断，国内随钻测井仪器生产厂商没有自主研发的成熟完善的近钻头方位伽马测量仪器。2017年渤海钻探定向井公司开始自主研发BHNWD 近钻头方位伽马测量系统，并于2019年8月研制成功，2020年正式投入使用，目前已在华北油田、山西煤层气田、四川页岩气田等多个油气田成功完成20余口水平井的随钻地质导向测量作业，以故障率低、测量精确度高、地层分辨率强等特点受到好评。至今，应用BH-NWD近钻头方位伽马随钻测量系统施工的水平井储层钻遇率均保持在93%以上，明显高于使用常规伽马随钻测量系统进行地质导向施工的水平井储层钻遇率。

1 近钻头方位伽马随钻测量系统

近钻头方位伽马随钻测量系统井下工具主要包括测量发射短节和信号接收短节两部分。测量发射短节长0.6 m，接收短节长1 m，外径172 mm。测量发射短节包括短节本体、电池仓、伽马测量仓、电磁波发射天线仓和数据读取接口。接收短节包括2个锂电池仓、1个接收天线仓以及中控电路仓。

在钻具组合中，测量发射短节安装在钻头与马达之间，能够测量并存储近钻头井斜角和方位伽马参数，将数据通过电磁波发送给接收短节，发射短节由锂电池单独供电。接收短节安装在马达与MWD/LWD之间，接收近钻头测量数据，并将数据传送至MWD/LWD。发射短节的井斜测点距离井底0.4 m，方位伽马测点距离井底0.5 m。

1.1 发射短节

1.1.1 测量模块

BH-NWD方位伽马传感器安置在发射短节本体外壁舱室内。该舱室内有方位伽马传感器、角度传感器和传感器信号处理电路。方位伽马传感器的测量半径为0.45 m。将伽马探测器安置在短节外壁能够使测量系统拥有更大的探测半径，提高了方位伽马探测的敏锐度。

将井筒截面的一周平均分为8个扇区，在近钻头发射短节旋转过程中，短节内部的伽马传感器对各个扇区的伽马射线强度进行测量。方位伽马探管采用了高频、高分辨率的角度传感器，实时监控伽马传感器的朝向，是方位伽马实现方向性测量的关键组件。0扇区和7扇区的伽马射线强度的算术平均值为上部伽马数值。3扇区和4扇区的伽马射线强度的算术平均值为下部伽马数值。

如图1所示，伽马探测器的伽马脉冲信号经过整形滤波处理后输入到模数转化电路ADC0809的输入端，ADC0809将电脉冲信号转化成数字信号，将数字信号提供给单片机AT89C52进行采集、检测和处理。AT89C52可以进一步对检测到的信号进行运算和转换，将伽马脉冲信号转换成单位为API的标准伽马值，并对测量数据进行处理。74LS573芯片是数据寄存器，在AT89C52和ADC0809之间起到数据缓冲的作用。AT89C52可以将计算完成的数据存储在外部存储器芯片中。

1.1.2 通信模块

发射短节中的井斜和方位伽马传感器将井斜和方位伽马测量数据传输到发射电路，发射电路将数据调制为电磁波信号，再由发射短节中的发射天线发射。通信模块选择柱状非对称式天线，采用6.2 kHz载波频率，选择高斯最小频移键控作为近钻头电磁波短传的基本调制方式。接收短节通过接收天线接收发射短节发送的电磁波信号，通过内部信号处理电路将电磁波信号还原为测量数据，并将数据传送至MWD/LWD ，MWD/LWD将近钻头测量数据转化成钻井液脉冲信号，传输到井口的压力传感器和数据处理仪进行解码。

井下近钻头传感器采集的数据存储在电子仓中的存储器中，可编程逻辑门序列模块组件利用协议对存储器中的数据进行读取，每读取一个字节，就将该字节存储在可编程逻辑门序列的存储单元中进行脉冲拓展，然后利用数字信号混频发生器对扩展后的基带码元进行检测使得输出两种不同频率的正弦载波，这两种不同频率的载波频率分别为10 kHz和20 kHz,完成高斯最小频移键控调制。频移键控即当载波频率变化时传递不同的信息。系统根据二进制基带信号传递两种频率的载波，分别代表基带信号的0和1， 10 kHz的信号代表0，20 kHz信号代表1。

图1 发射短节测量模块中的信号处理电路Fig. 1 Signal processing circuit in the measurement module of launching nipple

如图2所示，高斯最小频移键控是在数据流送入频率调制器前先通过1个高斯滤波器进行预调制滤波，以减小2个不同频率的载波切换时的跳变能量，使其在相同的数据传输速率时频道间距可以变得更紧密。由于进行了高斯最小频移键控预调制滤波，调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤，因此采用高斯最小频移键控技术调制的信号频谱紧凑、误码率低。高斯最小频移键控调制技术能够提高通信频谱利用率和通信质量。

图2 高斯最小频移键控调制后生成的两种载波Fig. 2 Carrier wave with two frequencies generated after Gauss minimum frequency-shift keying modulation

在可编程逻辑门序列内部进行调制后的正弦波还是数字信息，需要利用D/A转换器进行D/A转化，将数字正弦载波转化为模拟正弦波，利用一个7阶巴特沃斯低通滤波器滤除高频噪声干扰，然后通过放大电路进行放大，由于该正弦载波信号是D/A转换器发送出来的，因此功率很小，故需要采用同相比例放大电路进行放大，然后经过发射天线进行发射。

最小高斯频移键控信号调制技术采用的信号频率为10 kHz到20 kHz，而其他厂商其近钻头仪器大多采用相移键控调制技术，大部分以1～2 MHz的高频信号作为通信载波。在现场应用中，经常出现在特定地层，比如山西煤层气田的沁水盆地15号煤底部和四川页岩气田的龙马溪组底部，发生发射端和接收端通信失联的现象。发生这种失联现象的原因是高频相移键控调制信号在地层中更容易发生信号强度的衰减，在含少量铁矿的地层中这种衰减现象更为明显，进而发生通信失联的现象。BH-NWD近钻头方位伽马测量系统采用高斯最小频移键控通信技术，信号在地层传输过程中能量衰减率很低，能够很好地克服地层对电磁波信号的衰减，在特殊地层施工中，没有发生过通信失联的情况。高斯最小频移键控调制技术的应用使BH-NWD井下仪器电磁波通信更为稳定和可靠。

1.2 接收短节

发射线圈将D/A转换后的正弦载波通过发射天线进行发射，根据电磁感应，接收线圈应该接收到发射线圈频率相同的正弦载波，但由于经过传输介质衰减，信号功率很小，因此需要通过同相比例放大电路对信号功率进行放大，放大后的信号还是模拟信号，还需要先经过A/D转换，将模拟正弦波信号转化为数字信号，再利用可编程逻辑门序列组件解调。解调后的信号通过接收短节中的总线转换接口将RS232数据转换成MWD的RS485总线数据。

如图3所示，近钻头方位伽马系统采用RS-232协议进行数据与指令通信，而MWD系统则采用RS-485协议进行数据与指令通信。RS-485采用半双工工作方式，平衡发送和差分接收，任何时候只能有一点处于发送状态。RS-232总线的电气接口电路采用的是不平衡传输方式，即所谓单端通讯。转换电路负责将MWD系统的RS-485接口转换成RS-232通信接口，实现与方位伽马工具的RS-232通信接口的电气连接。该电路由主控单片机、DCDC电源模块、低压差线性稳压器、RS-485通信接口芯片、RS-232通信接口芯片组成，主要实现了RS-232与RS-485的通信接口相互转换的功能。由MWD将接收短节的输出信号转化成测量数据，再由MWD中的调制模块调制成钻井液脉冲信号，由脉冲发生器传出。接收短节的数据转化模块使得近钻头伽马井下测量系统能够和公司现有的MWD仪器直接连接，实现了近钻头井下测量系统和MWD系统的数据协议最终一致性，使得近钻头方位伽马测量数据能够在MWD系统中进行处理。

图3 接收短节中的通信模块Fig. 3 Communication module of receiving nipple

1.3 地面信号数据处理系统

近钻头方位伽马随钻测量系统井下仪器根据组合码规则将近钻头方位伽马测量数据编制成由脉冲和时间槽构成的组合码序列，再将组合码序列调制成一系列钻井液压力脉冲信号，由井下脉冲发生器发出，脉冲信号经由钻井液环空信道向地面进行传输。在信号传输过程中，脉冲信号容易受到泥浆泵噪声、钻具和立管震动引发的噪声、电磁噪声等噪声信号的干扰。脉冲信号其他噪声信号混叠在一起被地面压力传感器检测。这种有大量噪声混叠的信号需要进行有效的滤除，否则会造成地面解码软件解码错误或是无法解码。

近钻头方位伽马随钻测量系统地面数据处理仪对接收到的压力传感器模拟信号进行滤波和功率放大以及初步的滤波处理，再将处理好的信号送入模/数转换模块将模拟信号转换为数字信号。数字信号输入到数字信号处理组件中，数字信号处理组件利用快速傅里叶变换技术对信号进行解析和数字滤波，滤除噪声干扰信号。经过数字信号处理后的数字信号，再输送到计算机中的信号解码软件进行解码，从而转化成近钻头方位伽马测量数据。

1.3.1 供电稳压电路

如图4所示，系统进行信号处理时，系统内部电路的工作电压需要保持稳定。电路系统中采用LM2576芯片和电容、电感、二极管构建成系统和供电电路，同时能够起到稳压作用。

图4 LM2576和其他电子器件构成的供电电路Fig. 4 Feed circuit composed of LM2576 and other electronic devices

LM2576芯片是一种降压开关型集成稳压电路，其内部具有较为完善的保护电路，其中包括热关断电路与电流限制电路等。该芯片只需极少的外围电子器件就能构建高效稳压电路同时还能够实现电源电能变换，起到稳压作用。图4所示的电路中，VD表示续流二极管，L 表示电感，C 表示滤波电容，R1、R2 为分压电阻，利用这两个分压电阻能够完成输出电压的反馈输出。

1.3.2 滤波放大电路

如图5所示，地面系统中的压力传感器和深度传感器输出的是模拟电压信号。模拟电压信号比较微弱，而且掺杂着一些干扰信号，在经过地面系统的模数转换之前需要经过滤波放大处理。模拟电压信号首先耦合电容 C1 ，输入到由R4、R5、VD1、R1、C2 等电子器件构成的低通滤波器，该低通滤波器能够去除模拟信号中的高频噪声形成的干扰信号，经过低通滤波处理的信号再经过电容 C3将经过滤波处理后信号输入到由VT2、VT3、VT4构成的一个放大输出级电路，对波形进行功率放大后，再送入ADC芯片的计数端，模数转化，通过数据运算从而得到最终的测量数据。

图5 信号滤波整形放大电路Fig. 5 Signal filtering, shaping and amplifying circuit

1.3.3 软件设计

BH-NWD近钻头方位伽马信息处理软件包括探管配置模块，信号采集、处理和解码模块，井下参数恢复模块，工具面模块，解码数据显示模块，司钻通信模块，wits交互模块，数据存储模块，状态监控模块。软件设计是以主程序为数据中心，与各功能模块间进行数据交互。BH-NWD地面信息处理软件能够将信号去噪处理、信号解码、井深控制、伽马图形显示处理、定向信息与伽马数据处理等多项功能集成在一个软件界面中，和同类型仪器地面信息处理软件相比，使用起来更为快捷、方便。

2 近钻头方位伽马测量系统的成像功能

基于近钻头方位伽马测量数据而形成的井眼泥质含量二维成像资料可以清晰准确地反映地层岩性特征，还可以根据这些资料进行地层构造分析，为复杂油气藏勘探开发提供了高精度的地质导向技术［5-6］。

近钻头方位伽马成像技术是利用近钻头方位伽马仪器对井眼环向的空间进行测量所获得的各扇区的伽马数据进行汇总、编辑、处理而得到的可视化图像技术，能更加清晰地反映地层岩性特征。当近钻头方位伽马探测传感器被选定为成像模式时，近钻头仪器输出8个扇区的伽马测量数据。地面信息处理系统将8个扇区的伽马数据进行插值处理，同时根据动态或是静态色度标定法，定义成像色谱，将各扇区伽马数值按照一定的刻度规则分配不同级别的色度。最后将各扇区被分配的颜色在相应的位置显示出来，从而生成随钻方位伽马数据二维或三维图像。伽马成像的显示效果与色谱的选择有着密切的关系，一般情况下伽马值越高则对应的颜色越深，伽马值越低所对应的颜色就越浅。

3 现场应用

樊67平2-4L井是华北油田煤层气分公司在沁水盆地南部晋城斜坡带樊庄区块布署的一口水平井。设计井深1 808.74 m，垂深614.00 m，闭合距1 292.47 m，设计造斜点250.00 m，轨道类型为直-增-稳-增-水平。该井于670 m井斜60°时下入BHNWD近钻头测量系统进行随钻测量和地质导向，该井水平段累计钻进1 050.00 m，煤层段累计进尺1 020.00 m，钻遇率达97%，达到设计要求。

如图6(a)所示，在井深877 m以上为煤层，伽马值保持在20～50 API，伽马值较低，同时成像图总体为浅色，说明煤层中煤的含量较高，此时的井斜为94°。在870～877 m井段成像图横向两侧的颜色逐渐加深，说明井眼顶部接近泥岩，底部还在煤层中。877 m以下上伽马、下伽马曲线数值逐渐增大，并且上伽马曲线数值整体高于下伽马曲线数值。上、下伽马数值增大至90～110 API，成像图在877 m以下颜色也逐渐加深，说明钻头正由煤层顶部出层，进入泥岩层。此时应该尽快调整井眼轨迹，进行降斜，使得井眼轨迹由顶部泥岩重新回到煤层中。

如图6(b)所示，880～913 m井段上、下两条伽马曲线数值整体偏高，伽马数值在120 API左右。成像图的颜色也较深，可以确定此时井眼轨迹发生顶出。之后将井斜由94°降至88°，在913 m上、下伽马曲线数值逐渐降低，并且下伽马曲线先于上伽马曲线先降低，并且成像图颜色也变浅，说明井眼轨迹由上部泥岩层重新回到了煤层。之后上、下两条伽马曲线的数值保持在20～30 API，说明钻头回到了纯度较高的煤层中。

如图6(c)所示，在井深1 350 m之前为煤层，伽马值保持在20～40 API。上、下两条伽马曲线没有发生明显分离，同时成像图总体为浅色，说明此时煤层中煤含量较高，此时井斜为86°。在1 350～1 360 m井段成像图中部颜色逐渐加深，说明井眼底部接近泥岩，顶部还在煤层中。1 350 m以下上伽马和下伽马曲线数值逐渐增大，下伽马曲线先增大，上伽马曲线后增大。上、下伽马数值增大至90～110 API，结合成像图在1 360 m后颜色也逐渐加深，说明钻头正由煤层底部出层，进入泥岩层。此时应该尽快调整井眼轨迹，进行增斜，使得井眼轨迹由底部泥岩重新回到煤层中。

图6 方位伽马曲线与井筒剖面成像图Fig. 6 Azimuth gamma curve and borehole lithological image

4 结论

(1) BH-NWD近钻头发射短节和接收短节之间的数据通信传输采用了电磁波高斯最小频移键控调制通信技术，和其他厂商常用的相移键控调制技术相比，高斯最小频移键控调制通信技术能够明显克服特殊地层对电磁波信号的衰减作用，从而保证井下仪器良好的数据通信功能。

(2) BH-NWD井下仪器的电路系统和地面信息信号处理系统中的多个模块组件中使用了单片机、可编程逻辑门序列等信息处理专用集成电路组件，极大地提高了方位伽马测量系统的集成度、智能化、系统稳定性。

(3)近钻头方位伽马随钻测量仪和传统伽马测量仪相比零长短，能更早探测到地层岩性的变化，并且具有上伽马和下伽马两条伽马曲线，有利于技术人员进行精确的地质导向。从现场应用情况看，采用BH-NWD近钻头随钻测量系统的水平井储层钻遇率均达到93%以上，明显高于应用常规伽马仪器施工水平井的平均钻遇率。